Структура цементированной стали

Сталь, подвергнутая цементации, имеет неодинаковый химический состав и структуру. В различных слоях стали (изделия) содержится неодинаковое количество углерода: в поверхностном слое 0,9 - 1%, а по мере удаления от поверхности количество углерода постепенно уменьшается. В сердцевине изделия остается то же количество углерода, которое было в нем до цементации.

Видно, что поверхностный слой состоит из перлита и цементита, т. е. имеет структуру заэвтектоидной стали; далее идет зона эвтектоидной стали, состоящая сплошь из перлита; ниже расположена переходная зона, содержащая феррит и перлит. По мере приближения к сердцевине изделия перлита становится всё меньше, а количество феррита увеличивается.

Глубиной цементации называют расстояние от поверхности изделия до появления зерен феррита. Ее определяют как среднее значение из трех-четырех измерений. Благодаря цементации твердость поверхностного слоя изделия увеличивается примерно в 1,5 раза, но она еще далеко недостаточна для того, чтобы изделие хорошо сопротивлялось износу в процессе трения. Что же достигается цементацией? В результате цементации получается выгодное распределение в стали углерода: высокое содержание его на поверхности и низкое - в сердцевине, что дает возможность увеличить твердость поверхностного слоя изделия путем его термической обработки в 5 раз по сравнению с твердостью изделия до цементации. Термическая обработка цементированных изделий преследует в основном следующие цели:

1) сделать зерно стали более мелким (так как в процессе цементации структура стали становится крупнозернистой);

2) повысить твердость цементированного слоя и обеспечить глубины цементации, получение структуры мелкоигольчатого мартенсита.

Иногда, кроме указанного, термическая обработка преследует еще одну цель: разрушить сетку цементита в поверхностном слое. Цементированные изделия подвергаются различным видам термической обработки (в зависимости от их назначения и марки стали). Наиболее простым и дешевым способом является закалка изделий в воде сразу с цементационного нагрева или после небольшого подстуживания с последующим отпуском при температурах 180 - 200° для снятия внутренних напряжений.

В результате такой термической обработки перегрев стали, полученный во время цементации, не устраняется. Изделие имеет низкую вязкость в сердцевине и твердый, но хрупкий поверхностный слой, так как структура стали состоит из крупноигольчатого мартенсита. Этот вариант термической обработки может применяться для малоответственных изделий или для изделий, изготовленных из наследственно мелкозернистой стали. Чаще всего изделия после цементации охлаждаются до комнатной температуры и лишь после этого подвергаются вторичному нагреву для термической обработки. Для более ответственных цементированных изделий рекомендуется термическая обработка, состоящая из следующих операций:

1) нагретое до температур 850 - 900° изделие подвергается нормализации или закалке в масле для получения мелкозернистой структуры в сердцевине и устранения цементитной сетки в поверхностном слое;

2) изделие температурой 760 - 780° подвергается закалке в воде для получения структуры мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое;

3) производится отпуск при температурах 150 - 200° для снятия внутренних напряжений после закалки. В результате такой термической обработки поверхностный слой изделия будет иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита, а сердцевина будет состоять из мелкозернистого феррита и перлита или из феррита и мартенсита (в зависимости от сорта стали). Кроме указанных, существуют и другие варианты термической обработки цементированных изделий. Твердость цементированного слоя после термической обработки должна составлять Ндс =56.